Fabuła W XXIII wieku katastrofalna wojna znana jako Upadek pozostawiła Ziemię zdewastowaną. 300 lat później w 2563 roku, podczas eksploracji złomowiska w Żelaznym Mieście, doktor zajmujący się cybernetyką – Dyson Ido, odkrywa szczątki kobiety-cyborga z wciąż żywym mózgiem. Ido naprawia jej „rdzeń” i podłącza zastępcze ciało, lecz dziewczyna cierpi na amnezję. Mężczyzna nazywa ją Alita – po swojej zmarłej córce, dla której pierwotnie zbudował jej nowe ciało. Alita zaprzyjaźnia się z Hugo, który marzy o przeprowadzce do podniebnego miasta Zalem, unoszącego się nad Żelaznym Miastem. Hugo wprowadza ją w świat brutalnego sportu zwanego „Motorballem”, w którym cyborgi walczą o przepustkę do Zalemu.
Alita odkrywa, że Ido jest również tzw. łowcą-wojownikiem, gdy podąża za nim pewnej nocy i spotyka trzech zabójców cyborgów prowadzonych przez Grewishkę. Ido zostaje ranny, a Alita instynktownie atakuje cyborgi, zabijając dwóch z nich i poważnie uszkadzając Grewishkę, który wycofuje się do podziemnego świata. Pomimo tego, że Alita odkrywa swoje umiejętności w zapomnianej sztuce walki zwanej Panzer Kunst, Ido zniechęca ją do zostania łowcą-wojownikiem.